在我们的传统认知中，一种特定的材料往往只具备某种特定的属性。也正因如此，这种材料只能某一个或少数领域得以应用，不具备更广的通用性。一直以来，全世界范围内的科学家们都在探索如何解决这一问题。近日，来自麻省理工学院和美国陆军研究实验室的研究人员，成功研发出一种具有多种属性的新型材料，这种材料不仅成本低、易于制造，而且组装速度也非常快。他们甚至与丰田公司合作生产了一款功能性超里程赛车。
相关论文以“Discretely assembled mechanical metamaterials”为题，于11月18日以封面文章的形式在线发表在科学期刊《科学进展》上。研究人员表示，这种新材料将是一种非常强大的新型工具，可以帮助我们“用更少的东西做更多的事情”。机器人可以通过组装由这些材料组成的子单元来生产大型复杂物体，比如汽车、机器人和风力涡轮机叶片等。
为了验证这些材料可以在现实世界中以类似乐高的形式建造大型物体的潜力，研究人员与丰田公司的工程师合作，生产了一款功能性超里程赛车，并在今年早些时候的一次国际机器人会议上展示了这款赛车。论文作者之一Benjamin Jenett表示，他们可以在短短一个月内组装出轻量化且具有高性能的结构，而使用传统的玻璃纤维建筑方法建造一个类似的结构却需要一年时间。
研究人员将这种新型材料称为“力学超材料”，之所以将其命名为“超材料”，是因为它们的宏观特性不同于其组成材料的微观特性。在这项工作中，他们创建了四种不同类型的微型子单元，也称为体素，分别为刚性力学超材料、柔顺力学超材料、拉胀力学超材料和手性力学超材料。
Jenett表示，这些材料不仅价格低廉、易于制造、组装速度快，而且它们之间还彼此兼容。因此，它们可以同时具备多种不同类型的奇特属性，并且在同一个可扩展、廉价的系统中发挥很好的作用。这种材料如此特殊的关键在于，由一种这类体素组成的结构会与亚单位本身受应力时表现出的变化方式完全相同。
此次研究证明，当研究人员将零件组装在一起时，所有连接地方都“完美”耦合，成为了一个连续的整体。Jenett认为，这项技术的早期应用可能是用于制造风力涡轮机的叶片。随着风力涡轮机叶片的结构变得越来越大，将叶片运输到工作现场已经成为一个严重的运输问题，而如果这种叶片由数千个微小的子单元在工作现场组装完成，就可以消除运输问题。
此外，叶片本身的工作效率也会变得更高，因为它们具备了多种力学特性，可以动态、顺势地响应风的强度变化。这种新型材料也可以为机器人赋能。如今的机器人要么为刚性机器人，要么为柔性机器人，如果在为机器人赋予多种力学特性，或许机器人将获得更多意想不到的能力。
对于这项研究，斯坦福大学的Amory Lovins教授表示，“这项技术可以制造出价格低廉、经久耐用且非常轻便的航空飞行表面，就像鸟类的翅膀一样，可以顺势、持续改变它们的形状；此外，它还可能使汽车的空载质量更接近其有效载荷，因为它们的防撞结构主要为空气；它甚至可以使球形外壳的抗压强度达到一种前所未有的级别，使得天空中漂浮的无氦真空气球抬起的净载荷达到大型喷气式飞机的几十倍。”
相信这种新材料的出现，可以为未来科研与生活赋予无限的可能。